뇌 손상·염증 반응 수 분 만에 알아내는 플랫폼

국가독성과학연구소

국가독성과학연구소가 뇌 속 성상세포를 3D 환경에서 배양해 신경독성과 뇌 질환 치료제 효능, 안전성을 수 분 만에 판독할 수 있는 평가 플랫폼 'ARC-3D'를 개발했다. 사진은 이유빈 글로벌의약바이오연구단 선임연구원. 독성연 제공

국내 연구팀이 실제 뇌 환경과 유사한 3차원(3D) 조건에서 신경독성은 물론 뇌 질환 치료제 후보물질의 효능과 안전성을 신속하게 판독할 수 있는 평가 플랫폼을 개발했다. 

국가독성과학연구소(독성연)은 뇌에서 염증 조절, 신경세포 보호, 환경 항상성 유지를 담당하는 별 모양 세포인 '성상세포'의 염증 반응과 약물 효과를 3D 환경에서 실시간 측정할 수 있는 새로운 평가 플랫폼 'ARC-3D'를 개발했다고 14일 밝혔다. 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 헬스케어 머티리얼스' 표지 논문으로 지난 3일 게재됐다.

ARC-3D(Astrocytic Reactive Calcium 3D microenvironment)는 뇌 환경을 모사한 3D 하이드로겔 안에 성상세포를 배양하고 세포 내 칼슘 신호 변화를 실시간으로 관찰해 신경염증·독성·치료제 효능을 초고속으로 판독하는 플랫폼이다. 하이드로겔은 세포를 3차원 구조 안에서 배양해 실제 생체와 유사한 형태와 신호를 구현하는 소재다. 

기존 평가 방식은 2차원 세포배양과 분자 분석에 의존해 결과 확인까지 시간이 오래 걸린다. 초·분 단위로 나타나는 초기 기능 변화를 포착하기도 어렵다. ARC-3D는 세포막에서 칼슘 이온의 이동을 조절하는 통로인 칼슘 이온 채널의 변화를 실시간으로 측정하는 ‘칼슘 이미징 기술’을 적용해 기존 방식에서 놓치기 쉬웠던 극초기 신경독성 신호를 신속하게 포착한다.

연구팀은 젤라틴에 화학 처리를 가해 빛으로 굳힐 수 있도록 만든 생체 친화성 하이드로겔 소재인 ‘GelMA’로 3D 배양 환경을 구성하고 성상세포가 실제 뇌 조직처럼 기능하도록 최적 농도를 확립했다. 전체 용액 100g 중 GelMA가 3.5g 포함된 3.5wt%(질량백분율) 농도에서 성상세포가 가장 안정적으로 기능하는 것을 확인했다. 

개발한 플랫폼에 과산화수소를 노출시켜 세포에 산화 손상을 유발하자 신경 손상 지표와 염증 물질이 증가하며 뇌 손상 반응이 나타났다. 동물실험에서도 동일한 결과가 나타나 플랫폼의 정확성을 뒷받침했다.

이유빈 KIT 글로벌의약바이오연구단 선임연구원은 "ARC-3D는 신경독성 평가는 물론 뇌 질환 치료제 후보물질의 효능과 안전성을 신속하게 판별할 수 있는 기반 기술"이라며 "앞으로 주요 이온으로 측정 지표를 확장하면 인체의 물질 수송과 독성 반응을 더욱 정밀하게 평가할 수 있을 것"이라고 말했다.

<참고자료>
doi.org/10.1002/adhm.202504129
 

독성연 제공

[조가현 기자 gahyun@donga.com]